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综述Review Papers 2023 年 第 59 卷 第 08 期-36-谷氨酸的生物学功能及其在猪生产应用中的研究进展陈 力，柴 捷，张廷焕，王金勇*（重庆市畜牧科学院，重庆 402460）摘 要：谷氨酸是动物体内氮代谢的基本氨基酸之一，参与机体蛋白质和多肽的合成，维持体内氨平衡。谷氨酸在提高畜禽的生长性能、维持肠道屏障和抗氧化应激等方面起着重要作用，但目前对谷氨酸的生物学功能及其作用机制以及在猪生产中应用研究整理较少。本文主要对谷氨酸的理化性质、生物学功能、在猪体内的转运和代谢及其在猪生产中的应用进行综述，以期为谷氨酸在猪生产中的进一步研究与应用提供理论依据。关键词：谷氨酸；生物学功能；猪中图分类号：S828.5 文献标识码：A DOI 编号：10.19556/j.0258-7033.20230321-011866 年德国科学家 H.Ittthausen 以小麦面粉为原料，酸水解时，分离得到一种氨基酸，将其命名为谷氨酸。谷氨酸是哺乳动物脑内含量最高的酸性氨基酸，直接参与机体蛋白质、肽及脂肪酸的合成，与谷氨酰胺一起调节体内氨水平，是动物体重要的营养物质。谷氨酸是临床上所用氨基酸中成本最低的氨基酸之一，但畜牧业在实际应用中多局限在饲料适口性的改善方面1。近年来研究发现，谷氨酸不仅可作为机体的营养物质，而且在机体免疫、抗氧化应激和肠道发育等方面具有重要作用2-3，因此，谷氨酸被广泛应用于畜牧生产中4。本文主要对谷氨酸的结构性质、生物学功能及在猪生产中的应用进行综述，以期为谷氨酸在猪生产的应用和开发提供理论依据。1 谷氨酸的结构及理化性质谷氨酸是一个带有 2 个羧基的酸性氨基酸，化学名称为-氨基戊二酸，分子式 C5H9NO4，相对分子质量为 147.13，熔点为 205，外观为白色或无色鳞片状晶体，在水中的溶解度较小为 0.010.1 g，而在盐酸溶液中的溶解度相对较大为 110 g，其化学结构如图 1 所示。谷氨酸在蛋白质中提供负电荷，这对蛋白质结构稳定性有着重要作用。2 谷氨酸在体内的转运与代谢机体对谷氨酸吸收大部分在肠道，只有一小部分通过胃吸收，其跨过顶膜转运到肠上皮细胞中主要是通过谷氨酸转运载体来完成。在胃肠的转运主要通过 Na+依赖性 XAC-系统和 BO 转运系统。前者对谷氨酸的转运主要通过氨基酸转运体完成肠腔到肠道上皮细胞的转运，XAC-系统包括谷氨酸转运载体-1、兴奋性氨基酸载体（Excitatory Amino-Acid Carrier，EAAC）15。机体中谷氨酸含量除了受饲料中谷氨酸含量的影响外，还受谷氨酸转运体的表达量和转运体转运活性调控5。研究发现，提高饲粮中谷氨酸的量能够通过增加消化道氨基酸转运载体的表达量，来提高饲粮中氨基酸的利用率 6。氨基酸的代谢主要在肝脏中进行，但是谷氨酸、谷收稿日期：2023-03-21；修回日期：2023-05-06资助项目：国家重点研发项目（2021YFD1301101）；重庆自然科学基金面上项目（cstc2021jcyj-msxmX0784）作者简介：陈力（1990-），重庆武隆人，助理研究员，硕士研究生，主要从事猪肉品质、遗传育种等方面的研究，E-mail：*通讯作者：王金勇（1970-），重庆荣昌人，研究员，主要从事猪遗传育种与营养互作、猪场设施设备等研究，E-mail：图 1 谷氨酸的化学结构HOOCCOOHNH22023 年 第 59 卷 第 08 期 Review Papers综述-37-氨酰胺、天冬氨酸等氨基酸的代谢场所主要是肠道。谷氨酸在猪体内的代谢场所有肠道、骨骼、肝脏，95%以上的谷氨酸是在小肠的肠上皮细胞进行代谢，其代谢方式以氧化为主，其主要通过转氨基作用转化成为-酮戊二酸，以此进入三羧酸循环，生成三磷酸腺苷，为肠道提供能量物质5。此外，谷氨酸在代谢过程中作为精氨酸、鸟氨酸、瓜氨酸等氨基酸的底物，或通过代谢成为 CO2、尿素和其他形式排出体外7。3 谷氨酸的生物学功能及其作用机制传统营养学认为谷氨酸为非必需氨基酸，在饲料中可添加或不添加均不影响猪的生长。近年来研究发现，谷氨酸是一种条件必需氨基酸和功能性氨基酸，是动物机体生长发育所需要的重要营养物质8-9。谷氨酸在机体内代谢的主要场所是胃肠道，代谢过程中不仅为胃肠道提供能源物质，还为谷氨酰胺、谷胱甘肽、脯氨酸等其他功能性氨基酸的合成提供前体物质。此外，谷氨酸在提高畜禽生长性能、调节机体脂质和氮的代谢、维持和改善肠道结构和功能的完整性等方面发挥着重要作用。3.1 营养功能 谷氨酸是一种酸性氨基酸，是构成机体蛋白质和肽的结构氨基酸的主要成分之一，其美味较浓，是调味和改善肉风味的重要物质。代谢型谷氨酸受体和味觉受体家族 1 成员 1（T1R1）的异二聚体和 T1R3、T1R1/T1R3 都与舌头的氨基酸感觉有关，消化道中谷氨酸传感系统有助于蛋白质在胃中消化，并且通过兴奋迷走神经传入纤维，整合大脑中的营养信息，促进畜禽的采食10。研究发现，谷氨酸可通过激活 Wnt/-catenin信号通路增强猪肠道干细胞活性，促进肠上皮细胞增殖，从而促进断奶仔猪肠道发育，提高养分消化率11。李仲阳等12研究发现，在奶山羊精料中补充 4%谷氨酸渣可显著提高山羊奶中乳蛋白率，同时-酪蛋白浓度和绝对产量呈上升趋势。3.2 改善肠道结构完整性 肠道是食物消化吸收的主要场所，也是机体防御病原微生物的重要屏障，肠道结构的完整程度是保证其发挥功能的基础。现代研究发现，肠道隐窝深度和绒毛高度是衡量机体肠道形态和消化吸收的一个重要指标，肠绒毛是对营养物质消化吸收的重要部位，肠绒毛越高，机体消化吸收功能越强，隐窝深度越浅，肠道黏液分泌功能越好13。幼龄动物肠道发育黏膜的生长发育需要一定量的能量，如果缺乏能源物质，小肠的生长发育将受到阻碍，谷氨酸的代谢主要在胃肠中进行，可为肠道提供大量的能量，进而维持肠道结构完整性。研究发现，谷氨酸可通过促进肠上皮细胞的增殖参与受损的肠黏膜愈合，从而促进肠道损伤的修复14。同时，谷氨酸通过 IR/PI3K/Akt 通路和 EGFR/MEK/ERK 通路激活 mTORC1 信号通路，增加猪肠道干细胞活力，提高其扩增能力，进而促进肠上皮更新和肠道发育15。日粮中添加谷氨酸可改通过增加AMPK/HSP70的基因表达来提高了瘤胃上皮的紧密连接性，通过降低空肠黏膜炎症通路 TLR9/My D88/NF-B 的基因表达减少了空肠炎症反应和细胞凋亡16。3.3 维持肠道屏障 肠道屏障是肠道与外界接触的第一道屏障，可有效阻挡细菌、病毒及内毒素的入侵。应激、断奶和疾病等多种因素可降低肠道的黏膜屏障功能，肠黏膜屏障功能紊乱可导致黏膜通透性增加，这可能与炎症性肠病、坏死性小肠结肠炎、多器官系统功能障碍等多种胃肠道疾病的发病机制有关。因此，黏膜屏障的完整性对动物的健康至关重要。日粮中添加谷氨酸可维持肠道机械屏障、化学屏障和免疫屏障，对动物机体肠道健康有着重要的影响17。谷氨酸可通过肠道黏液层的厚度和黏蛋白的表达、促进肠道紧密连接蛋白和闭合蛋白的表达及促进黏液 碳酸氢盐屏障作用进而增强胃肠黏膜的屏障功能18。秦颖超等19研究表明，在断奶仔猪基础日粮中添 1%谷氨酸，断奶仔猪回肠组织中 p-JAK2 和 p-STAT3 蛋白的相对表达量增加，进而对肠上皮细胞的增殖有一定促进作用，同时上调了紧密连接相关蛋白（如闭合蛋白和紧密连接蛋白）的相对表达量，以增强其屏障功能。Guo 等20通过人工复制断奶仔猪急性肠道损伤模型，并在模型猪饲料中添加不同剂量的的谷氨酸，发现谷氨酸可通过下调肠道促肾上腺皮质激素释放因子信号（促肾上腺皮质激素释放因子、促肾上腺皮质激素释放因子受体 1、糖皮质激素受体、类胰蛋白酶、神经生长因子、酪氨酸激酶）的 mRNA 表达，进而降低由大肠杆菌脂多糖引起的肠黏膜损伤。Chen 等21研究发现，低蛋白日粮补充谷氨酸可通过降低抗氧化应激相关基因的表达，减弱能量代谢相关基因的上调表达，进而改善氧化应激诱导的肠道屏障功能障碍。3.4 抗氧化应激 氧化应激是机体在受到各种刺激时，体内产生超过清除高活性分子（如活性氧）的一种状综述Review Papers 2023 年 第 59 卷 第 08 期-38-态。动物机体主要存在酶和非酶两类抗氧化系统，抗氧化系统主要通过相关酶和维生素等抗氧化物质对机体过量的自由基进行清除，以达到氧化和抗氧化平衡。猪生产过程中各个环节（如高温天气、运输、断奶、转圈等）均可能出现氧化应激，氧化应激对猪生产中的危害也较为广泛，但主要集中在影响猪的生长发育和生产性能。谷氨酸是体内合成谷胱甘肽（GSH）的前体物质，而 GSH 是体内重要的抗氧化剂和自由基清除剂，是抗氧化应激的重要物质。陈欣等22将不同浓度的谷氨酸加入到热损伤的奶牛小肠上皮细胞中，发现谷氨酸可显著提高细胞上清液中谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶活力，降低乳酸脱氢酶和丙二醛含量，进而提高细胞的抗氧化功能。3.5 免疫调节 免疫是指机体通过免疫器官、免疫细胞和免疫因子等对病原微生物等异物进行清除，进而维持机体健康，包括先天免疫和获得性免疫。越来越多的证据表明，谷氨酸可能在介导免疫中发挥作用功能。谷氨酸受体和免疫细胞上的谷氨酸转运蛋白的结合、转运，表明谷氨酸在免疫调节中具有的功能性作用远远超出其作为神经递质的作用。谷氨酸可能具有调节免疫细胞的反应能力23。Ren 等24在小鼠饲料中添加 1%谷氨酸，连续饲喂 14 d，检测空肠、回肠和结肠中杯状细胞分泌的 Toll 样受体、促炎细胞因子和抗菌物质的表达情况，同时检测空肠和回肠中丝裂原活化蛋白激酶和磷酸肌醇-3-激酶的激活（PI3K）/PI3K-蛋白激酶 B（Akt）信号通路，结果表明，饲料中添加 1%谷氨酸可通过激活 NF-B 和 PI3K-Akt 通路，增加抗菌物质的 mRNA表达水平，进而促进机体的先天免疫。3.6 调节肠道菌群 肠道菌群是寄生于动物肠道中包括益生菌、非致病菌和条件致病菌等多种微生物，各种微生物间相互制约，与肠道形成互利共生关系。肠道菌群在胃肠道的占位、黏附、定植对机体抵抗外来致病菌，维持机体健康有着重要意义。Feng 等25研究发现，谷氨酸可明显增加肠道微生物群的多样性、改变肠道微生物群的组成和促进与能量提取相关的微生物在胃肠道中的定植，特别是Prausnitzii和Roseburia的定植。刘淑君等26研究发现，添加谷氨酸钠体外发酵后可显著提高拟杆菌门、拟杆菌属、变形菌门、埃希氏菌属相对丰度，且谷氨酸钠体外发酵可提高发酵液中短链脂肪酸的含量，进而影响肠道微生物的多样性。4 谷氨酸在猪生产上的应用4.1 谷氨酸在仔猪生产上的应用 研究表明，氧化应激会改变生物分子（包括蛋白质、脂质和核酸）的结构和生理功能，导致细胞或器官伤害。此外，氧化应激诱导肠道细胞周期停滞和凋亡，抑制仔猪细胞增殖，降低紧密表达连接蛋白，扰乱肠黏膜屏障功能，并改变胃肠道的消化和吸收功能。新生仔猪肠道中谷氨酸的含量极少（0.03 mmol/L），而谷氨酸缺乏可能导致肠道紧密连接蛋白的表达降低，从而损害肠黏膜屏障功能，因此，需要在饲料饲喂过程中加入适量的谷氨酸27。Duan等28通过对断奶仔猪腹腔注射 H2O2建立氧化应激模型，并在饲料中添加谷氨酸进行饲喂，试验期间检测血清抗氧化酶活性（过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽、过氧化物酶）及肠道氨基酸转运蛋白的表达，结果发现，日粮中添加 2.0%谷氨酸可减轻由 H2O2引起的血清氨基酸浓度变化和肠道氨基酸转运蛋白的表达。林猛29报道，日粮中添加谷氨酸可促进肠黏膜氨基酸感受体和转运体的表达，改善仔猪肠道形态结构，促进仔猪生长。4.2 谷氨酸在育肥猪生产上的应用 动物体的体脂增加可能与肠道菌群有关。Hu 等30研究发现，日粮中添加1.00%谷氨酸可降低育肥猪背膘厚度和体脂肪含量，其可能与肠道中毛罗菌属、丹毒丝菌属和罗氏菌属的相对丰度改变有关。甄吉福等31研究表明，在低蛋白饲粮中添加谷氨酸对育肥猪的生长性能影响并不明显，但可提高蛋白质的利用效率。4.3 谷氨酸在后备母猪生产上的应用 猪生产中，对于母猪的关注主要集中在产仔和哺乳两方面，妊娠后期母猪的泌乳量是仔猪成活和生长发育的关键。妊娠母猪子宫对谷氨酸的摄取最多可满足妊娠晚期胎儿生长所需谷氨酸的 46%，胎盘和胎儿组织必须合成胎儿所需的至少54%的谷氨酸32。因此，妊娠母猪日粮中添加适量谷氨酸对母猪和胎儿有重要意义。哺乳母猪采食饲料中的谷氨酸只有 8%通过门静脉进入母乳中，虽然哺乳母猪可通过调动机体蛋白质的储存为母乳中提供更多的谷氨酸，但受生理功能的限制，蛋白质过多转化为谷氨酸将直接影响母猪其他方面功能的正常运行，进而影响母猪健康。因此，哺乳母猪需从饲料或其他途径获得所需谷氨酸。2023 年 第 59 卷 第 08 期 Review Papers综述-39-4.4 谷氨酸在公猪生产上的应用 哺乳动物的精子膜对活性氧非常敏感，一定量的活性氧就可破坏精子膜的形态，进而影响精子功能，同时活性氧还可促进精子细胞的凋亡，影响精子活性和完整性。Tang 等33通过在饲料中添加谷氨酸饲喂睾丸氧化模型猪，发现谷氨酸可通过提高相关清除机体自由基的酶（如超氧化物歧化酶等）的基因表达量进而增强机体抗氧化能力，并可改善H2O2处理的公猪睾丸形态并降低生殖器指数。5 小 结谷氨酸作为功能性氨基酸，在动物营养、免疫、抗氧化及细胞代谢和信号传导中发挥着重要作用。在生猪饲料中添加适量的谷氨酸不仅可提高生猪生长性能，也可提高猪抗病力、抗氧化作用，促进生猪生产健康稳定发展。目前，对于生猪各个阶段对谷氨酸的需求量、饲料中适宜添加水平的研究相对较少。此外，大多数研究集中在谷氨酸在畜禽临床方面的效果，其作用机制研究尚少。因此，后续开展谷氨酸添加量和其作用机制有助其更好地应用于生猪生产。参考文献：1 Kyoung H,Lee J J,ChO J H,et al.Dietary glutamic acid mod-ulates immune responses and gut health of weaned pigsJ.Animals(Basel),2021,11(2):504.2 Zhu M,Qin Y,Gao C,et al.Extracellular glutamate-induced mTORC1 activation via the IR/IRS/PI3K/Akt pathway enhan-ces the expansion of porcine intestinal stem cellsJ.J Agric Food Chem,2019,67:9510-9521.3 Hisadomi S,Haruno A,Fujieda T,et al.Effects of rumen-pro-tected glutamate supplementation during the periparturient period on digestibility,inflammation,metabolic responses,and performance in dairy cowsJ.J Dairy Sci,2022,105:3129-3141.4 Luise D,Correa F,Chalvon-Demersay T,et al.Supplementation of mixed doses of glutamate and glutamine can improve the growth and gut health of piglets during the first 2 weeks post-weaningJ.Sci 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nature.Glutamate plays an important role in improving the growth performance of livestock and poultry,maintaining the intestinal barrier and resisting oxidative stress.However,there are few studies on the biological function and mechanism of glutamate and its application in pig production.In this paper,the physical and chemical properties,biological functions,transport and metabolism of glutamate in pigs and its application in pig production are reviewed,in order to provide further insights into the use of glutamate in pig production.Research and application provide theoretical basis.Keywords:Glutamate;Biological function;Pig（责任编辑：郑本艳）